Lo Spitzer Space Telescope della NASA ha rivelato che alcune delle prime galassie dell'universo erano più luminose del previsto. La luce in eccesso è un sottoprodotto delle galassie che rilasciano quantità incredibilmente elevate di radiazioni ionizzanti. La scoperta offre indizi sulla causa dell'Epoca della Reionizzazione, un grande evento cosmico che ha trasformato l'universo dall'essere per lo più opaco al brillante paesaggio stellare visto oggi.

In un nuovo studio, i ricercatori riferiscono sulle osservazioni di alcune delle prime galassie a formarsi nell'universo, meno di 1 miliardo di anni dopo il big bang (o poco più di 13 miliardi di anni fa). I dati mostrano che in alcune lunghezze d'onda specifiche della luce infrarossa, le galassie sono considerevolmente più luminose di quanto previsto dagli scienziati. Lo studio è il primo a confermare questo fenomeno per un ampio campionamento di galassie di questo periodo, dimostrando che non si trattava di casi particolari di eccessiva luminosità, ma che anche le galassie medie presenti a quel tempo erano molto più luminose in queste lunghezze d'onda rispetto alle galassie che vediamo oggi.

Nessuno sa con certezza quando le prime stelle del nostro universo hanno preso vita. Ma le prove suggeriscono che tra circa 100 milioni e 200 milioni di anni dopo il big bang, l'universo era pieno principalmente di gas idrogeno neutro che forse aveva appena iniziato a fondersi in stelle, che poi iniziò a formare le prime galassie. Circa 1 miliardo di anni dopo il big bang, l'universo era diventato un firmamento scintillante. Qualcos'altro era cambiato, anche:gli elettroni dell'onnipresente gas idrogeno neutro erano stati strappati via in un processo noto come ionizzazione. L'Epoca della Reionizzazione, il passaggio da un universo pieno di idrogeno neutro a uno pieno di idrogeno ionizzato, è ben documentato.

Prima di questa trasformazione in tutto l'universo, forme di luce a lunga lunghezza d'onda, come le onde radio e la luce visibile, ha attraversato l'universo più o meno senza ostacoli. Ma lunghezze d'onda della luce più brevi, inclusa la luce ultravioletta, I raggi X e i raggi gamma sono stati fermati da atomi di idrogeno neutri. Queste collisioni spoglierebbero gli atomi di idrogeno neutri dei loro elettroni, ionizzandoli.

Ma cosa potrebbe aver prodotto abbastanza radiazioni ionizzanti da influenzare tutto l'idrogeno nell'universo? Erano singole stelle? Galassie giganti? Se uno dei due fosse il colpevole, quei primi colonizzatori cosmici sarebbero stati diversi dalla maggior parte delle stelle e delle galassie moderne, che in genere non rilasciano elevate quantità di radiazioni ionizzanti. Poi ancora, forse qualcos'altro ha interamente causato l'evento, come i quasar, galassie con centri incredibilmente luminosi alimentati da enormi quantità di materiale in orbita attorno a buchi neri supermassicci.

"È una delle più grandi questioni aperte nella cosmologia osservativa, " disse Stéphane De Barros, autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato presso l'Università di Ginevra in Svizzera. "Sappiamo che è successo, ma cosa l'ha causato? Queste nuove scoperte potrebbero essere un grande indizio".

In cerca di luce

Per sbirciare indietro nel tempo, all'era appena prima della fine dell'Epoca della Reionizzazione, Spitzer ha fissato due regioni del cielo per più di 200 ore ciascuna, permettendo al telescopio spaziale di raccogliere la luce che aveva viaggiato per più di 13 miliardi di anni per raggiungerci.

Come alcune delle più lunghe osservazioni scientifiche mai effettuate da Spitzer, facevano parte di una campagna di osservazione chiamata GREATS, abbreviazione di GOODS Re-ionization Era Wide Area Treasury di Spitzer. GOODS (a sua volta un acronimo:Great Observatories Origins Deep Survey) è un'altra campagna che ha effettuato le prime osservazioni di alcuni GREATS target. Lo studio, pubblicato in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society , ha utilizzato anche i dati d'archivio del telescopio spaziale Hubble della NASA.

Usando queste osservazioni ultra profonde di Spitzer, il team di astronomi ha osservato 135 galassie distanti e ha scoperto che erano tutte particolarmente luminose in due specifiche lunghezze d'onda della luce infrarossa prodotta dalle radiazioni ionizzanti che interagiscono con i gas di idrogeno e ossigeno all'interno delle galassie. Ciò implica che queste galassie erano dominate da giovani, stelle massicce composte principalmente da idrogeno ed elio. Contengono piccolissime quantità di elementi "pesanti" (come azoto, carbonio e ossigeno) rispetto alle stelle che si trovano nella media delle galassie moderne.

Queste stelle non erano le prime stelle a formarsi nell'universo (quelle sarebbero state composte solo da idrogeno ed elio) ma erano ancora membri di una primissima generazione di stelle. L'Epoca della Reionizzazione non fu un evento istantaneo, quindi mentre i nuovi risultati non sono sufficienti per chiudere il libro su questo evento cosmico, forniscono nuovi dettagli su come l'universo si è evoluto in questo momento e come si è svolta la transizione.

"Non ci aspettavamo che Spitzer, con uno specchio non più grande di un Hula-Hoop, sarebbe in grado di vedere le galassie così vicine all'alba dei tempi, " ha detto Michael Werner, Lo scienziato del progetto di Spitzer al Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California. "Ma la natura è piena di sorprese, e la luminosità inaspettata di queste prime galassie, insieme alla superba performance di Spitzer, li mette a portata del nostro piccolo ma potente osservatorio."

Telescopio spaziale James Webb della NASA, il lancio è previsto nel 2021, studierà l'universo in molte delle stesse lunghezze d'onda osservate da Spitzer. Ma dove lo specchio primario di Spitzer ha un diametro di soli 85 centimetri (33,4 pollici), Quello di Webb è 6,5 metri (21 piedi) - circa 7,5 volte più grande, consentendo a Webb di studiare queste galassie in modo molto più dettagliato. Infatti, Webb proverà a rilevare la luce delle prime stelle e galassie dell'universo. Il nuovo studio mostra che a causa della loro luminosità in quelle lunghezze d'onda infrarosse, le galassie osservate da Spitzer saranno più facili da studiare per Webb di quanto si pensasse in precedenza.

"Questi risultati di Spitzer sono certamente un altro passo per risolvere il mistero della reionizzazione cosmica, " disse Pascal Oesch, un assistente professore presso l'Università di Ginevra e coautore dello studio. "Ora sappiamo che le condizioni fisiche in queste prime galassie erano molto diverse rispetto alle galassie tipiche di oggi. Sarà compito del James Webb Space Telescope elaborare le ragioni dettagliate del perché".